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  通過醫(yī)學(xué)或技術(shù)進(jìn)行人體增強(qiáng)可恢復(fù)或增強(qiáng)人類的能力，從而有助于改善人們的生活質(zhì)量。在醫(yī)療方面的人體增強(qiáng)，如植入醫(yī)療設(shè)備、基因編輯和攝入體內(nèi)化學(xué)物質(zhì)，這些依靠侵入性方法來可以改善或修復(fù)身體機(jī)能。然而，在體內(nèi)操作的侵入性方法不容易直接觀察，一旦失去療效，就不能隨時更換，從而增加了不可控的風(fēng)險和醫(yī)療更換成本。智能電子設(shè)備與人工智能（AI）相結(jié)合可以構(gòu)成高效的人機(jī)界面以增強(qiáng)或擴(kuò)展人類感知外界或與外界互動的能力。與侵入模式相比，佩戴智能電子設(shè)備進(jìn)行人體增強(qiáng)作為一種非侵入模式可以顯著降低醫(yī)療風(fēng)險。然而，由剛性和易碎材料制成的傳統(tǒng)電子設(shè)備在佩戴時會引起不適和尷尬�？椢镫娮釉O(shè)備往往會融入衣物中，可以作為人體增強(qiáng)的非侵入性輔助手段。由于織物的靈活性和舒適性，這些設(shè)備可實(shí)現(xiàn)自由和舒適的互動體驗(yàn)。為了滿足人體增強(qiáng)的強(qiáng)勁發(fā)展需求，織物電子設(shè)備應(yīng)確保靈活性、可切割性、高度穩(wěn)定的觸摸靈敏度和快速響應(yīng)以及可擴(kuò)展的功能，即使在佩戴過程中發(fā)生變形時，也能根據(jù)指定的指令進(jìn)行人機(jī)交互。

  為了實(shí)現(xiàn)觸摸檢測功能，一種策略是采用集成分立傳感器單元的方法。通過打印的方法，可以制造具有分層分布微結(jié)構(gòu)的觸覺傳感器，并將其應(yīng)用于觸覺面板的離散傳感單元中，以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。分立式傳感器單元集成的柔性設(shè)備在佩戴在身體上時會彎曲和變形。這樣，它們的電信號可能會改變或丟失，因此設(shè)備無法根據(jù)原始指令可靠地與機(jī)器交互。由于織物結(jié)構(gòu)的柔軟性和透氣性，因此是用織物基是柔性電子一種的重要方法。通過交叉尋址，織物電子單元被編織到衣服中，并通過交錯的電線連接在一起，從而實(shí)現(xiàn)物體的分類。這種觸摸信號的檢測就需要大量的布線。但是應(yīng)該注意的是，遍布全身的大量復(fù)雜導(dǎo)線會限制織物固有的生理舒適性，并阻礙人體自由運(yùn)動。此外，考慮到適應(yīng)不同人的行為和個人互動模式，織物電子設(shè)備需要具有可編程性和可重構(gòu)性，即形狀可以定制、功能可以改變、結(jié)構(gòu)可以重新配置。 因此，目前織物電子設(shè)備的進(jìn)展與人體增強(qiáng)的實(shí)際需求之間存在鮮明的對比。除了可編程性和可重構(gòu)性外，織物電子設(shè)備還需要高性能和多樣性，以便滿足個性化的交互需求。

本文亮點(diǎn)

  1.本工作采用了織物基材料，開發(fā)了一種基于電氣平行雙側(cè)結(jié)構(gòu)的可編程智能織物觸摸傳感器（IP織物傳感器），可賦予人類與外界互動的能力；

  2.該IP織物傳感器實(shí)現(xiàn)了感知-傳輸-識別一體化功能，具有微秒級別的響應(yīng)時間（<400 us）和超高的穩(wěn)定性（>20000次循環(huán)測試），可以快速且穩(wěn)定地用于人機(jī)交互。

  3.該IP織物傳感器具有彎曲不敏感性，即使貼合于衣物上，也不會明顯改變器件的信號，因此可以將其自由穿戴用于外界交互；

  4.該IP織物傳感器具有可重構(gòu)性，可以通過裁剪、拼接的方式來拓展新的功能。

圖1.多功能 IP 織物傳感器的設(shè)計(jì)概述。（a） 與IP織物傳感器集成的多功能交互系統(tǒng)的概念功能。（b） IP織物傳感器示意圖。（c） IP織物傳感器的工作原理和相應(yīng)的等效電路。（d） IP織物傳感器的可重構(gòu)性：（i） IP織物傳感器的可切割性和可擴(kuò)展性，以及（ii）IP織物傳感器的可修復(fù)性。（e） 不同放大倍率下純棉織物的FESEM圖像。（f） 不同放大倍率下涂有碳納米管的織物形態(tài)的FESEM圖像。（g） 各種形狀的IP織物傳感器的形狀具體展示。

圖2. IP織物傳感器性能和電輸出特性的系統(tǒng)研究。（a） IP 織物傳感器的響應(yīng)時間和恢復(fù)時間。（b） 不同去離子水與碳納米管溶液重量比下導(dǎo)電織物條的電阻與長度的關(guān)系。（c） 在 IP 織物傳感器的不同位置測量的 I–V 曲線。（d） IP織物傳感器不同位置的電響應(yīng)。（e） IP 織物傳感器處于不同狀態(tài)時響應(yīng)電阻與位置的關(guān)系。（f） IP 織物傳感器的可切割性。（g） IP 織物傳感器的可修復(fù)性。

圖3. 基于方形IP織物傳感器的閉環(huán)互動娛樂系統(tǒng)。(a) 閉環(huán)互動娛樂系統(tǒng)直接控制示意圖。(b) 閉環(huán)互動娛樂系統(tǒng)的工作流程。(c) 方向控制器示意圖。(d) 方形IP織物傳感器中每個角在不同狀態(tài)下的電壓響應(yīng)。(e) 方形IP織物傳感器的長期連續(xù)觸碰電壓信號。(f) 快速觸碰IP織物傳感器時發(fā)出的指令。(g) 交互界面在執(zhí)行不同指令時的操作。

圖4. 基于條形 IP 織物傳感器的智能家居系統(tǒng)。(a)智能家居系統(tǒng)的示意圖。(b) 智能家居系統(tǒng)的電路圖。(c) 顯示 （i） 燈、（ii） 門、（iii） 風(fēng)扇、（iv） 窗戶和 （v） 鈴鐺的控制。鈴鐺開機(jī)后繼續(xù)工作一段時間，然后自動關(guān)閉。

圖5. 基于S形IP織物傳感器的用戶識別和驗(yàn)證系統(tǒng)。（a） 用戶識別和驗(yàn)證系統(tǒng)流程示意圖。（b）S形IP織物傳感器以不同數(shù)字序列輸入的不同用戶的響應(yīng)電壓。（c） 當(dāng)不同用戶輸入相同的數(shù)字序列時，S 形 IP 織物傳感器的響應(yīng)電壓。（d） 1D CNN的最終結(jié)構(gòu)，經(jīng)過優(yōu)化，用于識別三個用戶。（e） 一維 CNN 模型的精度（無量綱）。（f） 訓(xùn)練過程中 1D CNN 模型的損失（無量綱）。（g） 測試集的混淆矩陣。

論文信息

第一作者：Zihan Chen

通訊作者：Xinqin Liao，Zhong Chen

通訊單位：廈門大學(xué)

期刊：Advanced Fiber Materials，IF 16.1，一區(qū)TOP

https://doi.org/10.1007/s42765-023-00350-z